JP2021098220A - アルミ鋳造金型 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ポンプでアルミニウムの溶湯を注湯する場合に、ガス抜きのための隙間に溶湯が侵入しないようなアルミ鋳造金型を提供する。【解決手段】電磁ポンプで汲み上げられたアルミニウムの溶湯が、注湯されるアルミ鋳造金型１１であって、このアルミ鋳造金型１１は、キャビティ３４に溜まるガスを排出するガス抜き部４０を備え、このガス抜き部４０に、３０μｍ〜８０μｍの大きさの通気孔４５が設けられている。【効果】３０μｍ〜８０μｍの大きさであれば、隙間に溶湯が侵入しない。【選択図】図４

Description

本発明は、アルミ鋳造金型に関する。

アルミニウム合金（以下、アルミニウム又はアルミと略記する。）は、鉄系材料に比べて軽量であるため、車両部品などに広く適用される。
車両部品などは、鋳造法で製造されることが知られている。鋳造品の品質を低下させる要因に、ブローホールやピンホールが挙げられる。対策として、キャビティに溜まるガスを排出することが有効である。

そこで、アルミ鋳造金型にガスベントを設けることが、提案されている（例えば、特許文献１（第１図）参照）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９は従来の鋳造装置の基本構成図であり、この鋳造装置１００は、固定型１０１と、図面上下へスライドするスライド側型１０２Ａ、１０２Ｂと、図面左右に可動の可動型１０３と、アルミ溶湯１０６を貯留するスリーブ１０５と、スリーブ１０５内を移動するプランジャ１０７とを有するダイカスト鋳造機である。

固定型１０１と、スライド側型１０２Ａ、１０２Ｂと、可動型１０３とからなるアルミ鋳造金型１０４へ、スリーブ１０５に貯留するアルミ溶湯１０６をプランジャ１０７で注湯することで、アルミ製シリンダブロックを鋳造する。

図１０は図９の１０−１０線断面図であり、可動型１０３に、ガス抜き穴１０８が設けられ、このガス抜き穴１０８に隙間１０９を保って清掃ピン１１１が挿入されている。注湯中は、隙間１０９を通じてキャビティからガスを排出することができる。
この隙間１０９の大きさは、０．２〜０．２５ｍｍ程度に設定されている（特許文献１、第２頁、左下欄第９行）。

ダイカスト鋳造機は、高圧鋳造機であり、高圧に耐えるように丈夫に造られるため、高価である。対して、低圧鋳造機であれば、安価である。
本発明者らは、高圧鋳造機に代わる低圧鋳造機を研究する中で、溶湯を直接電磁ポンプで汲み上げて金型へ注湯する鋳造法を試した。すなわち、図９のスリーブ１０５及びプランジャ１０７を電磁ポンプに置き換える。

しかし、スリーブ１０５及びプランジャ１０７を電磁ポンプに置き換えたところ、次に述べる問題が発生した。
図１０の隙間１０９に溶湯１０６が大規模に侵入し、鋳造品に大きなバリが発生した。

その原因は、詳しくは後に図３に基づいて説明するが、電磁ポンプにより、溶湯に微小な圧力変動が付与され、この圧力変動により、溶湯の流動性が大きくなり、隙間１０９に溶湯１０６が大規模に侵入したと、推定される。

しかし、アルミ材料の有効利用及び後加工の軽減の観点から、バリの発生を抑制することが求められる。

特開平３−４５６号公報

本発明は、電磁ポンプでアルミニウムの溶湯を注湯する場合に、ガス抜きのための隙間に溶湯が侵入しないようなアルミ鋳造金型を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明者らは、隙間１０９の大きさを種々変更しながら、電磁ポンプにより注湯することで、鋳造品に発生するバリの有無と、注湯中のガス抜き性とを調べた。

比較のために、従来の重力鋳造法、低圧鋳造法による検証を、実験０１及び実験０２で行い、電磁ポンプを用いた鋳造法による検証を、実験０３〜実験０９で行った。その結果を、表に示す。

実験０１：ガス抜きのための隙間が０．２ｍｍではバリは発生せず、ガス抜き性は良好であったので、評価は〇である。
実験０２：ガス抜きのための隙間を０．１ｍｍに変更したところ、ガス抜き性がやや悪くなったので、評価はＸである。

実験０３：上述したように、ガス抜きのための隙間が０．２ｍｍではバリが多量に発生したので、評価は×である。なお、０．２ｍｍは、単位を換算すると２００μｍである。
実験０４：そこで、隙間を小さくして、０．１ｍｍ（１００μｍ）とした。ガス抜きのための隙間が０．１ｍｍでも少量のバリが発生した。評価は×である。
実験０５：隙間をさらに小さくして、０．０８ｍｍ（８０μｍ）とした。ガス抜きのための隙間が０．０８ｍｍではバリの発生が認められなかった。評価は○である。

隙間が０．０８ｍｍ（８０μｍ）以下であれば、電磁ポンプを用いても、バリの問題は解消できることがわかった。しかし、隙間は小さいほどガス抜き性が低下するので、その点を検証するために、実験を続けた。

実験０６：隙間をさらに小さくして、０．０５ｍｍ（５０μｍ）とした。ガス抜き性は、維持されたので、評価は○である。
実験０７：隙間をさらに小さくして、０．０３ｍｍ（３０μｍ）とした。ガス抜き性は、維持されたので、評価は○である。

実験０８：隙間をさらに小さくして、０．０２ｍｍ（２０μｍ）とした。ガス抜き性は、やや悪化した。評価は×である。
実験０９：隙間をさらに小さくして、０．０１ｍｍ（１０μｍ）とした。ガス抜き性は、さらに悪化した。評価は×である。

以上から、電磁ポンプを用いた鋳造法では、ガス抜きのための隙間は、０．０３ｍｍ（３０μｍ）〜０．０８ｍｍ（８０μｍ）が好適であることは分かった。
この知見から、本発明は、次のとおりとした。

請求項１に係る発明は、電磁ポンプで汲み上げられたアルミニウムの溶湯が、注湯されるアルミ鋳造金型であって、
このアルミ鋳造金型は、キャビティに溜まるガスを排出するガス抜き部を備えており、
このガス抜き部に、３０μｍ〜８０μｍの大きさの通気孔が設けられていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のアルミ鋳造金型であって、
前記ガス抜き部は、前記アルミ鋳造金型に嵌められる筒体であり、この筒体は前記キャビティに面する底部を有し、この底部に前記通気孔が設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２記載のアルミ鋳造金型であって、
前記通気孔は、３０μｍ〜８０μｍ幅のスリットであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３記載のアルミ鋳造金型であって、
前記スリットは、前記底部に複数本互いに平行になるように設けられていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項２〜４のいずれか１項記載のアルミ鋳造金型であって、
前記筒体は、鋳造品を離型させる製品押出しピンを兼ねることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、電磁ポンプで汲み上げられたアルミニウムの溶湯が、注湯されるアルミ鋳造金型において、このアルミ鋳造金型にガス抜き部を備え、このガス抜き部に、３０μｍ〜８０μｍの大きさの通気孔を設けた。３０μｍ〜８０μｍの大きさであれば、バリの問題は解消され、ガス抜き性も確保される。
よって、本発明により、電磁ポンプでアルミニウムの溶湯を注湯する場合に、ガス抜きのための隙間に溶湯が侵入しないようなアルミ鋳造金型が提供される。

請求項２に係る発明では、ガス抜き部は、アルミ鋳造金型に嵌められる筒体であり、この筒体の底部に通気孔を設けた。
金型に直接隙間を形成することに比べて、別体の筒体に隙間を形成するようにすれば、筒体が小型、軽量であるため、隙間の形成加工が容易になる。

請求項３に係る発明では、通気孔をスリットとした。スリットは長円であるため、開口面積を稼ぐことができる。また、スリットは、ワイヤ放電加工機により、容易に形成することができる。

請求項４に係る発明では、スリットを複数本設けたので、開口面積が増加し、ガス抜き性が高まる。

請求項５に係る発明では、筒体は、製品押出しピンを兼ねる。筒体は、ガス抜き作用と製品押出し作用を発揮するため、付加価値が高まる。

鋳造装置の基本構成図である。 電磁ポンプの断面図である。 図２の３部拡大図である。 可動型の要部断面図である。 ガス抜き部の断面図である。 ガス抜き部の底面図である。 ガス抜き部の変更例を説明する図であり、（ａ）は放射状の通気孔を示す図、（ｂ）は微細丸穴を示す図である。 筒体が製品押出しピンを兼ねることを説明する図である。 従来の鋳造装置の基本構成図である。 図９の１０−１０線断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、鋳造装置１０は、アルミ鋳造金型１１と、導湯路１６と、電磁ポンプ２０と、この電磁ポンプ２０を制御する制御部３２と、ヒータ１２を備えてアルミニウムの溶湯１３を貯留する保持炉１４とからなる。
アルミ鋳造金型１１は、例えば、固定型１７と、この固定型１７に対して上下に移動する可動型１８とからなる。

この例では、保持炉１４に鋼製フレーム１５を載せ、この鋼製フレーム１５で電磁ポンプ２０が支えられているが、保持炉１４への電磁ポンプ２０の取付け形態は任意である。
なお、保持炉１４は、溶解炉、出湯炉、取鍋（とりべ）などのアルミニウムを溶融状態で貯留する容器であればよく、狭義の保持炉に限定されない。

電磁ポンプ２０の詳細な構造を、図２に基づいて説明する。
図２に示すように、電磁ポンプ２０は、ベースフランジ２１と、このベースフランジ２１を貫通して上下に伸びている導湯管２２と、この導湯管２２に収納される鉄心部材２３と、導湯管２２の下部を囲う下部コイル２４と、この下部コイル２４を囲いつつベースフランジ２１に吊るされる下部ケース２５と、導湯管２２の上部を囲う上部コイル２６と、この上部コイル２６を囲いつつベースフランジ２１に載っている上部ケース２７と、導湯管２２から上へ伸びる吐出管２８と、この吐出管２８を囲う湯面計２９と、上部ケース２７に繋がっている上部フランジ３０とを備えている。

下部コイル２４に通電すると、フレミングの左手の原理で、溶湯（図１、符号１３）が引き上げられる。
次に、上部コイル２６に通電し、下部コイル２４を非通電にすると、溶湯が湯面計２９まで引き上げられる。湯面計２９のレベルが「待機レベル」になる。

フレミングの左手の法則により、電流を増すと、力が増加する。
上部コイル２６の電流をさらに増すと、溶湯は湯面計２９を超えて、吐出管２８より上へ吐出される。すると、図１に示す導湯路１６を通って、アルミ鋳造金型１１に注湯される。
よって、電磁ポンプ２０は、保持炉１４に貯留した溶湯１３を汲み上げて、アルミ鋳造金型１１へ供給する加圧注湯手段である。

本発明者らは、加圧注湯手段としての電磁ポンプ２０に、電磁作用特有の圧力現象があり、この現象に注目した。この現象を、図３に基づいて説明する。

図３に示すように、導湯管２２と鉄心部材２３との間の通路を、溶湯１３が上向きに流れている。上部コイル２６の上端部２６ａから鉄心部材２３へ達する磁場３１は上に凸になるように湾曲化する。この湾曲の度合いは、５０Ｈｚであれば２倍の１００Ｈｚで変動する。
この磁場３１の変動（変位）に起因して、溶湯１３の圧力（吐出圧力）が、細かい周期（１００Ｈｚ）で、微小変動する。すなわち、細かな脈動が不可避的に発生する。

本発明のアルミ鋳造金型１１には、以下に説明するガス抜き部４０が嵌められる。
図４に示すように、アルミ鋳造金型１１の構成要素の一つである可動型１８に、キャビティ３４へ開口するガス抜き部収納凹部３５と、このガス抜き部収納凹部３５から型外まで延びる貫通穴３６が設けられている。この貫通穴３６は、ガス抜き部収納凹部３５よりも十分に小径である。このようなガス抜き部収納凹部３５に、ガス抜き部４０が嵌められる。図で右側のガス抜き部収納凹部３５には、既にガス抜き部４０が嵌められている。

図５に示すように、ガス抜き部４０は、例えば、底部４１を有する有底の筒体４２と、この筒体４２の開口端を塞ぐリッド４３とからなる中空体である。リッド４３は、かしめ、ねじ込み、溶接などにより、筒体４２に固定される。ガス抜き部４０は、丈夫な炭素鋼で構成される。

リッド４３には、貫通穴（図４、符号３６）に繋がる穴４４が設けられている。また、底部４１には、通気孔４５が設けられている。
通気孔４５から筒体４２内へ入ったガスは、穴４４を通って、貫通穴（図４、符号３６）に至る。

なお、リッド４３を省いて、ガス抜き部４０は、底部４１を有する有底の筒体４２のみで構成してもよい。

図６に示すように、通気孔４５は、幅Ｗが３０μｍ〜８０μｍである細長いスリットであり、複数本（例えば３本）が互いに平行になるように底部４１に設けられている。スリットは、ワイヤ放電加工機で容易に形成される。

なお、通気孔４５は、図７（ａ）に示すように、放射状にスリットを配置した形態や、図７（ｂ）に示すように、微細丸穴４６であってもよい。この場合、微細丸穴４６の穴径は、３０μｍ〜８０μｍとする。ただし、微細丸穴４６は個数が多いため、加工時間が長くなる。一方、スリットは微細丸穴４６が集合した穴と見なせる。加工コストを考えると、微細丸穴４６より、スリットが勝る。

図１に示す電磁ポンプ２０で汲み上げたアルミニウムの溶湯１３は、導湯路１６を通ってアルミ鋳造金型１１に注湯される。この注湯の前には、図４に示すキャビティ３４に、空気が満たされている。この空気は、注湯中に溶湯１３で押される。押されると、ガス抜き部４０を通り、貫通穴３６を通って排出される。

空気に代わって溶湯１３がキャビティ３４に充満する。充満すると溶湯１３が、図６に示す底部４１に接触する。表１で説明したように、３０μｍ〜８０μｍの大きさの通気孔４５は、溶湯１３が通らない。空気などのガスのみが通る。結果、バリの発生が抑制される。

このような特長を有するガス抜き部４０は、製品押出ピンを兼ねさせることができる。その具体例を、図８に基づいて説明する。
図８に示すように、筒体４２は、可動型１８を上下に貫通するように十分に長くする。そして、筒体４２の上端（底部４１から十分に離れた部位）に鍔部５１を付設しておく。
この鍔部５１を上エジェクタプレート５２と下エジェクタプレート５３とで挟む。
下エジェクタプレート５３からガイドロッド５４を延ばして可動型１８に挿入する。

可動型１８に、門型フレーム５５を載せ、この門型フレーム５５からエジェクタ駆動機構５６を下げ、このエジェクタ駆動機構５６を上エジェクタプレート５２に繋ぐ。エジェクタ駆動機構５６は、エアシリンダ、油圧シリンダ、電動シリンダの何れでもよい。

下エジェクタプレート５３は、圧縮ばね５７で上方へ付勢され、門型フレーム５５に設けたストッパ５８で、上昇位置が確定される。

キャビティ３４の空気がガス抜き部４０で排出され、代わりにキャビティ３４が溶湯で満たされる。この溶湯が固まったら、可動型１８は上昇される。次に、エジェクタ駆動機構５６で上エジェクタプレート５２及び下エジェクタプレート５３を下げる。すると、ガス抜き部４０がキャビティ３４内へ突出する。この突出により、鋳造品が可動型１８から離れる。
次に、エジェクタ駆動機構５６で上エジェクタプレート５２及び下エジェクタプレート５３を上げる。これで、図８に戻る。

筒体４２（ガス抜き部４０）は、製品押出しピンを兼ねる。筒体４２（ガス抜き部４０）は、ガス抜き作用と製品押出し作用を発揮するため、付加価値が高まる。

尚、請求項１にあっては、ガス抜き部４０は、可動型１８に一体的に設けてもよい。すなわち、アルミ鋳造金型の加工時に同時に設けてもよい。しかし、通気孔４５が微細であるため、実施例のように、可動型１８とは別体のガス抜き部４０とした方が、加工が容易になる。

本発明は、電磁ポンプで汲み上げられたアルミニウムの溶湯が、注湯されるアルミ鋳造金型に好適である。

１１…アルミ鋳造金型、１３…溶湯、２０…電磁ポンプ、３４…キャビティ、４０…ガス抜き部、４１…底部、４２…筒体、４５…通気孔。

Claims (5)

1. 電磁ポンプで汲み上げられたアルミニウムの溶湯が、注湯されるアルミ鋳造金型であって、
   このアルミ鋳造金型は、キャビティに溜まるガスを排出するガス抜き部を備えており、
   このガス抜き部に、３０μｍ〜８０μｍの大きさの通気孔が設けられていることを特徴とするアルミ鋳造金型。
2. 請求項１記載のアルミ鋳造金型であって、
   前記ガス抜き部は、前記アルミ鋳造金型に嵌められる筒体であり、この筒体は前記キャビティに面する底部を有し、この底部に前記通気孔が設けられていることを特徴とするアルミ鋳造金型。
3. 請求項２記載のアルミ鋳造金型であって、
   前記通気孔は、３０μｍ〜８０μｍ幅のスリットであることを特徴とするアルミ鋳造金型。
4. 請求項３記載のアルミ鋳造金型であって、
   前記スリットは、前記底部に複数本互いに平行になるように設けられていることを特徴とするアルミ鋳造金型。
5. 請求項２〜４のいずれか１項記載のアルミ鋳造金型であって、
   前記筒体は、鋳造品を離型させる製品押出しピンを兼ねることを特徴とするアルミ鋳造金型。

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